CN107979823A - 一种形体重组型多功能水体环境测量船系统 - Google Patents
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Abstract
一种形体重组型多功能水体环境测量船系统，通过将测量船组成分布式物联网系统进行湖泊海洋的静水环境测量，采用子母型设计，各子船之间在通信过程中根据通信环境的变化可以互为中继，并将信息汇总给母船，同时母船也向子船发送指令；当遭遇不同水域特征时，对各船体进行组合，使测量船能适应不同水域环境；进一步的还提出了在给定充电量条件下测量船系统的最远直线航行距离的计算方法。本发明提供了一种灵活设计的测量船系统，能在测量中满足不同水域环境的要求进行形体重组，布放灵活、节能环保。
Description
技术领域
本发明属于物联网技术领域，涉及无人测量船的水体检测，为一种形体重组型多功能 水体环境测量船系统。
背景技术
水体环境监测对于改善水体环境、解决水质型缺水具有重要意义，因此为国内外政 府和业界关注。近年来，随着物联网、人工智能等技术的发展，以及机器人的普及，水 体环境监测的信息化、智能化和无人化成为其必然的发展趋势。刘海滨，纪文强提出了 一种基于物联网技术的水体环境监测系统的设计方案，该系统利用无线传感器节点及无 线通信技术，实现了水位、流量等信息实时采集、报警以及水污染状况监控双重功能[1]。 李广武、韦晓强提出了一种多功能深水环保船，主要用于海面溢油回收，兼具对小块漂 浮垃圾的回收功能[2]。金英连，王斌锐，严天宏提出了一种自主湖水环境监测船的设计方 案，利用三层递阶控制器及滑膜变结构转速控制算法，较好地排除水流速度的突变干扰， 使船体运动控制系统平稳，从而实现水体环境的全自主监测[3]。林群馥等提出的无人驾驶 水域环境智能监测船，以太阳能作为动力能源，通过定位系统和无线通讯系统，可代替 人完成偏远或恶劣环境下的全天候水域环境监测[4]。可见，由于具有布放灵活、成本经济， 可以在人迹罕至或人迹难至的工作区域自动测量等明显的技术优势，市场对于水体环境 测量无人船的需求越来越大，同时对其功能和性能也提出了更高的要求。
目前相关文献中对无人船定位技术、船体与控制终端的通信技术、传感器技术等研 究较为成熟，但对于船体如何适应不同水域环境的问题关注较少。无人船在进行水上作业时，难免会遭遇各种水域环境：例如在不同的天气条件下将处于静水、轻浪、中浪、 大浪等水体中。而现有无人船为了布放灵活、节能环保，船体结构往往较为简单，船身 也不会太重。在此前提下，若测量船在工作过程中遇到大风浪该如何抵御，防止船体颠 覆；如果无人船在静水作业，应给出使其能在理想环境下快速航行的设计方案。另一方 面，应考虑对船体结构进行灵活设计，使其在遭遇狭窄水道时可以正常进行测量工作。
发明内容
本发明要解决的问题是：现有技术中监测水体环境的无人测量船无法在监测中实时 应对不同水体环境，不能满足使用需求。
本发明的技术方案为：一种形体重组型多功能水体环境测量船系统，包括一艘母船 及若干子船，各船均为无人测量船，每一艘船上均设有无线通信模块、GPS定位模块、控制模块、以及微处理器模块，无线通信模块、GPS定位模块、控制模块连接微处理器模块， 微处理器模块还连接水体信息采集模块，其中，无线通信模块用于船体之间的信息交互， 母船还通过无线通信模块连接后台控制中心，GPS定位模块用于船体定位，控制模块用于 控制无人测量船的运行，水体信息采集模块用于采集水体环境信息，微处理器模块用于 接收前述各模块的信息，并发出对前述各模块的相应的运行控制指令；母船和子船在微 处理器模块的控制下变换位置，组合为不同的队列形态。
母船子船具有不同的体积，当需要进入狭窄水道测量或清淤时，母船发出指令由体 积合适的子船进入测量，子船与母船之间通过无线通信模块交互信息，将子船所采集的数据信息发送至母船汇总，对于狭窄水道较长的情况，指令多个子船进入，由它们采用 逐一中继的方式，将最远处的信息传送到母船。
作为优选实施方式，不同水域条件下测量船系统的形体组合为：当系统处于大风浪 环境时，母船将所检测的风力数据信息发送至后台控制中心，后台控制中心判断风力超过预设门限，则向测量船系统发送指令，各船根据系统预设的目标位置排列，以母船为 中心整个测量船系统列队形成“十”字型结构，抵御风浪防止颠覆；当系统处于平静水 域时，后台控制中心通过无线通信模块向测量船系统发送指令，各船根据系统预设的目 标位置排列，以母船为领头整个测量船系统列队排成“一”字型结构，以便在静水中快 速航行。
进一步的，根据母船和子船的充电量，计算最远航行距离，用于控制测量船系统的运行，具体为：
设船体充电量为E，其最远航行距离为s0的计算如下：船体电量用于通信和航行，
根据香农定理，船体处于某一位置时满足以下关系：
式中，信道带宽W为已知参数；Pt为信号发射功率；s为信号传输距离，也是发射 和接收端的空间距离，α为空间衰减指数，η为噪声功率谱密度，η＝kT，其中k为波尔 兹曼常数，T为绝对常数；C为信道容量，由香农限的计算公式得到；
由式(1)推导出信号发射功率为：
令式(2)转化为：
Pt＝βsα (3)
设船体最远航行距离为s0，则用于通信的耗能E1为：
另一方面，设船体驱动力为F，则往返所需能量E2为：
E2＝2Fs0 (5)
由式(4)和(5)推出船体航行所需总能量为：
进一步可得到s0的计算方程：
对于平稳信道，空间衰减指数α＝2，有：
令则式(8)可改写为：
s0 3+ps0+q＝0 (9)
根据卡尔丹诺公式，仅取用其中的实数根，计算得到船体最远航行距离如下：
式中，
方程解的形式与判别式Δ有关，由于船体可达的最远距离为正实数，因此，在给定系统电量E，系统驱动力F的条件下，s0的值应为上述方程的正实根。
进一步的，每个船体设有动力模块，为其它模块的工作提供电能；母船动力模块的电能大于子船，为子船提供充电，充电方式包括子船自动定位连接至母船提供的充 电基座进行充电，以及无线充电。
本发明提供一种形体重组型多功能水体环境测量船系统，测量船系统首先可以通过 组成分布式物联网快速进行湖泊海洋的静水环境测量，由于系统采用了子母型设计，各子船之间在通信过程中根据通信环境的变化可以互为中继，并将信息汇总给母船；同时 母船也可以向子船发送指令，当遭遇不同水域特征时，通过后台控制中心给母船的指令， 以母船为基点按照预先设定好的队列形式将各个船体列队，以适应不同的水体环境。另 外，就无人测量船的运行，本发明还提供了航行距离计算方法，并且在本发明的多船体 测量系统结构下，子母船的系统结构可以实现母船大体积，子船小体积的设计，可以实 现由母船携带大容量电源，为子船提供充电的方案，由于本发明测量船系统的灵活形体 重组航行模式，这种方式并不会影响水体监测，尤其是应对复杂水道的水体监测，本发 明系统的灵活性和续航性能都比现有的无人测量船要具有更显著的优势。
附图说明
图1是本发明实施例的水体环境测量无人船系统组成框图。
图2是本发明实施例的无线通信网络示意图。
图3是本发明实施例的子母型结构应用示意图。
图4是本发明实施例的静水或微浪条件下“一”字型组合结构示意图。
图5是本发明实施例的轻浪条件下“一”字型组合结构示意图。
图6是本发明实施例的中浪条件下“十”字型组合结构示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种形体重组型多功能水体环境测量船系统，包括一艘母船及若干子 船，各船均为无人测量船，每一艘船上均设有无线通信模块、GPS定位模块、控制模块、以及微处理器模块，无线通信模块、GPS定位模块、控制模块连接微处理器模块，微处理 器模块还连接水体信息采集模块，其中，无线通信模块用于船体之间的信息交互，母船 还通过无线通信模块连接后台控制中心，GPS定位模块用于船体定位，控制模块用于控制 无人测量船的运行，水体信息采集模块用于采集水体环境信息，微处理器模块用于接收 前述各模块的信息，并发出对前述各模块的相应的运行控制指令；母船和子船在微处理 器模块的控制下变换位置，组合为不同的队列形态。
本发明中，子船根据母船的指令航行，母船根据后台控制中心的指令航行，对于系统的续航能力，本发明也提供了计算方法，根据母船和子船的充电量，计算最远航行距 离，用于控制测量船系统的运行，具体为：
设船体充电量为E，其最远航行距离为s0的计算如下：船体电量用于通信和航行，
根据香农定理，船体处于某一位置时满足以下关系：
式中，信道带宽W为已知参数；Pt为信号发射功率；s为信号传输距离，也是发射 和接收端的空间距离，α为空间衰减指数，η为噪声功率谱密度，η＝kT，其中k为波尔 兹曼常数，T为绝对常数；C为信道容量，由香农限的计算公式得到；
由式(1)推导出信号发射功率为：
令式(2)转化为：
Pt＝βsα (3)
设船体最远航行距离为s0，则用于通信的耗能E1为：
另一方面，设船体驱动力为F，则往返所需能量E2为：
E2＝2Fs0 (5)
由式(4)和(5)推出船体航行所需总能量为：
进一步可得到s0的计算方程：
对于平稳信道，空间衰减指数α＝2，有：
令则式(8)可改写为：
s0 3+ps0+q＝0 (9)
根据卡尔丹诺公式，仅取用其中的实数根，计算得到船体最远航行距离如下：
式中，
方程解的形式与判别式Δ有关，由于船体可达的最远距离为正实数，因此，在给定系统电量E，系统驱动力F的条件下，s0的值应为上述方程的正实根。
本发明系统的每个船体设有动力模块，为船体上的其它模块的工作提供电能；母船的体积可以设计大一些，子船小一些，根据体积携带合适的动力电源，母船动力模 块的电能大于子船，为子船提供充电，充电方式包括子船自动定位连接至母船提供的 充电基座进行充电，以及无线充电。
无人测量船的具体动力结构以及航行控制为现有技术，不再详述。根据水体信息采 集模块的数据处理得到水体信息的方法也属于现有的水体测量技术，不再详述。下面通过实施例进一步说明本发明的实施。
如图1所示，本发明的实施例提出了一种水体环境测量无人船系统。系统由母船、子 船组合而成。其中，母船数量为1，子船数量为偶数，具体根据实际需求确定。各船体由动力模块、水体信息采集模块、无线通信模块、GPS定位模块、控制模块和微处理器模 块MCU组成。其中，动力模块与其余各模块相连，为其工作提供电能。水体信息采集模 块包含透光率、光照强度、PH值等传感器及信号处理电路，对所需的水体物化参数进行 测量。无线通信模块基于ZigBee技术进行自组网，实现子船与母船的信息交换；母船与 后台控制中心则是基于433M无线模块进行通信，负责将汇总的信息发送给控制中心，并 接收控制中心的指令。GPS定位模块用于船体的自身定位，并通过无线通信模块将该信 息发送至后台控制中心，实现了网格化的自动采集，满足精细化测量需求。
图2所示为测量船系统中无线通信网络示意图。图中，以1艘母船和2艘子船组成的系统为例。母船的无线通信模块包括ZigBee模块和433MHz无线模块，子船的无线通信 基于ZigBee模块进行。其中，子船与母船之间的距离较近，因此采用基于ZigBee的无线 自组网络进行信息交换；子船之间也可以基于ZigBee网络互为中继，扩大网络的通信范 围。母船作为ZigBee网络的PAN协调器节点，需要将汇总的信息发送给后台控制中心以 及接收来自控制中心的指令，由于实际作业时系统与后台控制中心的距离较远，因此采 用433MHz的无线模块实现远距离通信。
图3所示为子母型结构应用示意图。子母型结构的优势在于：若需要在狭窄水道作业， 母船无法进入时，可以由子船进入狭窄空间进行测量或清淤工作。整个测量系统的灵活 度和适用范围更大。另外，当子船动力不足时，可以由母船为其充电，实现更广阔水域的作业。
由于测量船需要在不同水域作业，稳定性就成为其一项重要性能指标。普通船舶一 般通过对船体自身结构的设计提高其稳定性，但其结构固定，往往适应于某一类水域环境。对于测量船来讲，其工作环境差异较大，既有可能遭遇大风浪水域环境，也会在平 静水域作业。因此对测量船系统的灵活性提出了更高的要求。本发明提出测量船系统的 形体组合方案，从而使系统适用于不同的水域条件。
图4和图5所示为风浪较小情形下的系统组合结构。其中，图4为静水条件下的“一”字型组合结构。当系统在静水中作业时，这种“一”字型结构使系统所受的阻力大幅下 降，满足高速航行的需求。图5为轻浪条件下的“一”字型组合结构，在稍有风浪的情形 下，控制中心则提示系统中各船只移动位置，形成图5所示的“一”字型，子船排列在母 船后面两侧，既有助于系统整体稳定性，也适合中速航行。
图6所示为遭遇风浪时的系统组合结构。图6所示为中浪条件下的“十”字型组合结构。当系统遇到风浪时，母船将监测到的风力信息发送至后台控制中心，控制中心对数 据作进一步处理，若判断风力已超过系统预设门限，则通过无线通信网络向测量船系统 发送指令，各船根据系统提示及自身定位系统移动至目标位置，形成如图6所示的“十” 字型组合结构。该结构中具有大长宽比的母船可以有效减小水波阻力，两侧的子船用于 提高系统的稳定性。系统根据风浪级别优化两侧子船的纵横偏移位置，系统低速航行， 既可使子船利用船体间有利的兴波干扰减小阻力，又有效提高了整个系统稳定性。大浪 条件下的“十”字型组合结构，此时，整个系统停止航行，母船两侧的子船与其形成90 度角，成为母船两翼，使系统得以稳定。
上述结构形体的组合是预先在船体微处理器模块MCU中设置好的程序，所有结构以 母船为基点进行排列组合，根据各个船体的定位信息，子船自动航行到目标位置，这里的控制程序为现有无人船控制技术实现，不再详述。
测量船系统形体组合实施流程，具体实施步骤如下：
步骤一：在水体环境发生变化时，母船读取风浪传感器所采集的数据，并将其送入微处理器模块中进行处理。
步骤二：微处理器将所读取的数据与预先设定的阈值进行比较，其中η1、η2、η3分别对应轻浪、中浪和大浪的风浪下限级数。若风浪级数小于η1，则判决为静水条件；若风浪 级数大于η1小于η2，则判决为轻浪条件；若风浪级数大于η2小于η3，则判决为中浪条件； 若风浪级数大于η3，则判决为大浪条件。
步骤三：若判决为静水，则继续航行；若非静水条件，则通过无线通信模块向各子船发送静止指令，并执行步骤四。
步骤四：母船读取各子船位置信息，并将其送入微处理器作下一步处理。
步骤五：基于风浪级别，根据各风浪条件下的组合结构以及子船当前位置信息，计算各子船的重置位置，并根据各船直线航行速度，规划子船航行路线。
步骤六：母船利用无线通信模块将重置位置、航行速度及航行路线规划信息发送至 子船。
Claims (5)
1.一种形体重组型多功能水体环境测量船系统，其特征是包括一艘母船及若干子船，各船均为无人测量船，每一艘船上均设有无线通信模块、GPS定位模块、控制模块、以及微处理器模块，无线通信模块、GPS定位模块、控制模块连接微处理器模块，微处理器模块还连接水体信息采集模块，其中，无线通信模块用于船体之间的信息交互，母船还通过无线通信模块连接后台控制中心，GPS定位模块用于船体定位，控制模块用于控制无人测量船的运行，水体信息采集模块用于采集水体环境信息，微处理器模块用于接收前述各模块的信息，并发出对前述各模块的相应的运行控制指令；母船和子船在微处理器模块的控制下变换位置，组合为不同的队列形态。
2.根据权利要求1所述的一种形体重组型多功能水体环境测量船系统，其特征是母船子船具有不同的体积，当需要进入狭窄水道测量或清淤时，母船发出指令由体积合适的子船进入测量，子船与母船之间通过无线通信模块交互信息，将子船所采集的数据信息发送至母船汇总，对于狭窄水道较长的情况，指令多个子船进入，由它们采用逐一中继的方式，将最远处的信息传送到母船。
3.根据权利要求1所述的一种形体重组型多功能水体环境测量船系统，其特征是不同水域条件下测量船系统的形体组合为：当系统处于大风浪环境时，母船将所检测的风力数据信息发送至后台控制中心，后台控制中心判断风力超过预设门限，则向测量船系统发送指令，各船根据系统预设的目标位置排列，以母船为中心整个测量船系统列队形成“十”字型结构，抵御风浪防止颠覆；当系统处于平静水域时，后台控制中心通过无线通信模块向测量船系统发送指令，各船根据系统预设的目标位置排列，以母船为领头整个测量船系统列队排成“一”字型结构，以便在静水中快速航行。
4.根据权利要求1所述的一种形体重组型多功能水体环境测量船系统，其特征是根据母船和子船的充电量，计算最远航行距离，用于控制测量船系统的运行，具体为：
设船体充电量为E，其最远航行距离为s0的计算如下：船体电量用于通信和航行，
根据香农定理，船体处于某一位置时满足以下关系：
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<mi>C</mi>
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式中，信道带宽W为已知参数；Pt为信号发射功率；s为信号传输距离，也是发射和接收端的空间距离，α为空间衰减指数，η为噪声功率谱密度，η＝kT，其中k为波尔兹曼常数，T为绝对常数；C为信道容量，由香农限的计算公式得到；
由式(1)推导出信号发射功率为：
<mrow>
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<mi>P</mi>
<mi>t</mi>
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<mi>s</mi>
<mi>&alpha;</mi>
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<mi>C</mi>
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<mo>-</mo>
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<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
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<mo>(</mo>
<mn>2</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
令式(2)转化为：
Pt＝βsα (3)
设船体最远航行距离为s0，则用于通信的耗能E1为：
<mrow>
<msub>
<mi>E</mi>
<mn>1</mn>
</msub>
<mo>=</mo>
<mn>2</mn>
<msubsup>
<mo>&Integral;</mo>
<mn>0</mn>
<msub>
<mi>s</mi>
<mn>0</mn>
</msub>
</msubsup>
<msub>
<mi>P</mi>
<mi>t</mi>
</msub>
<mi>d</mi>
<mi>s</mi>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>4</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
另一方面，设船体驱动力为F，则往返所需能量E2为：
E2＝2Fs0(5)
由式(4)和(5)推出船体航行所需总能量为：
<mrow>
<mi>E</mi>
<mo>=</mo>
<msub>
<mi>E</mi>
<mn>1</mn>
</msub>
<mo>+</mo>
<msub>
<mi>E</mi>
<mn>2</mn>
</msub>
<mo>=</mo>
<mn>2</mn>
<msubsup>
<mo>&Integral;</mo>
<mn>0</mn>
<msub>
<mi>s</mi>
<mn>0</mn>
</msub>
</msubsup>
<mrow>
<msub>
<mi>P</mi>
<mi>t</mi>
</msub>
<mi>d</mi>
<mi>s</mi>
</mrow>
<mo>+</mo>
<mn>2</mn>
<msub>
<mi>Fs</mi>
<mn>0</mn>
</msub>
<mo>=</mo>
<mn>2</mn>
<mi>&beta;</mi>
<mfrac>
<mrow>
<msup>
<msub>
<mi>s</mi>
<mn>0</mn>
</msub>
<mrow>
<mi>&alpha;</mi>
<mo>+</mo>
<mn>1</mn>
</mrow>
</msup>
</mrow>
<mrow>
<mi>&alpha;</mi>
<mo>+</mo>
<mn>1</mn>
</mrow>
</mfrac>
<mo>+</mo>
<mn>2</mn>
<msub>
<mi>Fs</mi>
<mn>0</mn>
</msub>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>6</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
进一步可得到s0的计算方程：
<mrow>
<msup>
<msub>
<mi>s</mi>
<mn>0</mn>
</msub>
<mrow>
<mi>&alpha;</mi>
<mo>+</mo>
<mn>1</mn>
</mrow>
</msup>
<mo>+</mo>
<mfrac>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>&alpha;</mi>
<mo>+</mo>
<mn>1</mn>
<mo>)</mo>
<mi>F</mi>
</mrow>
<mi>&beta;</mi>
</mfrac>
<msub>
<mi>s</mi>
<mn>0</mn>
</msub>
<mo>-</mo>
<mfrac>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>&alpha;</mi>
<mo>+</mo>
<mn>1</mn>
<mo>)</mo>
<mi>E</mi>
</mrow>
<mrow>
<mn>2</mn>
<mi>&beta;</mi>
</mrow>
</mfrac>
<mo>=</mo>
<mn>0</mn>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>7</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
对于平稳信道，空间衰减指数α＝2，有：
<mrow>
<msup>
<msub>
<mi>s</mi>
<mn>0</mn>
</msub>
<mn>3</mn>
</msup>
<mo>+</mo>
<mfrac>
<mrow>
<mn>3</mn>
<mi>F</mi>
</mrow>
<mi>&beta;</mi>
</mfrac>
<msub>
<mi>s</mi>
<mn>0</mn>
</msub>
<mo>-</mo>
<mfrac>
<mrow>
<mn>3</mn>
<mi>E</mi>
</mrow>
<mrow>
<mn>2</mn>
<mi>&beta;</mi>
</mrow>
</mfrac>
<mo>=</mo>
<mn>0</mn>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>8</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
令则式(8)可改写为：
s0 3+ps0+q＝0 (9)
根据卡尔丹诺公式，仅取用其中的实数根，计算得到船体最远航行距离如下：
<mrow>
<msub>
<mi>s</mi>
<mn>0</mn>
</msub>
<mo>=</mo>
<mroot>
<mrow>
<mo>-</mo>
<mfrac>
<mi>q</mi>
<mn>2</mn>
</mfrac>
<mo>+</mo>
<msqrt>
<mi>&Delta;</mi>
</msqrt>
</mrow>
<mn>3</mn>
</mroot>
<mo>+</mo>
<mroot>
<mrow>
<mo>-</mo>
<mfrac>
<mi>q</mi>
<mn>2</mn>
</mfrac>
<mo>-</mo>
<msqrt>
<mi>&Delta;</mi>
</msqrt>
</mrow>
<mn>3</mn>
</mroot>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>10</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
式中，
方程解的形式与判别式Δ有关，由于船体可达的最远距离为正实数，因此，在给定系统电量E，系统驱动力F的条件下，s0的值应为上述方程的正实根。
5.根据权利要求1所述的一种形体重组型多功能水体环境测量船系统，其特征是每个船体设有动力模块，为其它模块的工作提供电能；母船动力模块的电能大于子船，为子船提供充电，充电方式包括子船自动定位连接至母船提供的充电基座进行充电，以及无线充电。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201711163710.6A CN107979823A (zh) | 2017-11-21 | 2017-11-21 | 一种形体重组型多功能水体环境测量船系统 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| CN201711163710.6A CN107979823A (zh) | 2017-11-21 | 2017-11-21 | 一种形体重组型多功能水体环境测量船系统 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| CN201711163710.6A Pending CN107979823A (zh) | 2017-11-21 | 2017-11-21 | 一种形体重组型多功能水体环境测量船系统 |
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